Παίρνουμε κάτι λάθος για το σύμπαν.
Μπορεί να είναι κάτι μικρό: ένα ζήτημα μέτρησης που κάνει ορισμένα αστέρια να μοιάζουν πιο κοντά ή πιο μακριά από αυτά που είναι, κάτι που οι αστροφυσικοί θα μπορούσαν να διορθώσουν με λίγες αλλαγές για το πώς μετράνε τις αποστάσεις στο διάστημα. Μπορεί να είναι κάτι μεγάλο: ένα σφάλμα - ή μια σειρά από σφάλματα - στην κοσμολογία, ή την κατανόησή μας για την προέλευση και την εξέλιξη του σύμπαντος. Αν συμβαίνει αυτό, ολόκληρη η ιστορία του χώρου και του χρόνου μπορεί να είναι αναστατωμένη. Αλλά όποιο και αν είναι το ζήτημα, κάνει κάποιες βασικές παρατηρήσεις του σύμπαντος να διαφωνούν μεταξύ τους: Μετρούμενος με έναν τρόπο, το σύμπαν φαίνεται να επεκτείνεται με ένα ορισμένο ρυθμό. μετρούμενο με άλλο τρόπο, το σύμπαν φαίνεται να επεκτείνεται με διαφορετικό ρυθμό. Και, όπως δείχνει ένα νέο έγγραφο, οι αποκλίσεις αυτές έχουν αυξηθεί τα τελευταία χρόνια, ακόμα και όταν οι μετρήσεις έχουν γίνει ακριβέστερες.
"Πιστεύουμε ότι αν η αντίληψή μας για την κοσμολογία είναι σωστή, τότε όλες αυτές οι διαφορετικές μετρήσεις θα πρέπει να μας δίνουν την ίδια απάντηση", δήλωσε η Katie Mack, θεωρητικός κοσμολόγος στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Βορείου Καρολίνας (NCSU) και συν-συγγραφέας του νέου βιβλίου .
Οι δύο πιο γνωστές μετρήσεις λειτουργούν πολύ διαφορετικά μεταξύ τους. Ο πρώτος βασίζεται στο υπόβαθρο των κοσμικών μικροκυμάτων (CMB): η μικροκυματική ακτινοβολία που απομένει από τις πρώτες στιγμές μετά το Big Bang. Οι κοσμολόγοι έχουν κατασκευάσει θεωρητικά μοντέλα ολόκληρης της ιστορίας του σύμπαντος σε ένα ίδρυμα CMB - μοντέλα με πολύ σιγουριά και αυτό θα απαιτούσε μια παντοδύναμη φυσική να σπάσει. Και μαζί, ο Mack είπε, παράγουν έναν λογικά ακριβή αριθμό για τη σταθερά Hubble ή H0, που καθορίζει πόσο γρήγορα το σύμπαν επεκτείνεται προς το παρόν.
Η δεύτερη μέτρηση χρησιμοποιεί υπερκείμενα και αστέρια που αναβοσβήνουν σε κοντινούς γαλαξίες, γνωστούς ως Cepheids. Μετρώντας πόσο μακριά είναι αυτοί οι γαλαξίες μας και πόσο γρήγορα απομακρύνονται από εμάς, οι αστρονόμοι έχουν πάρει αυτό που πιστεύουν ότι είναι μια πολύ ακριβής μέτρηση της σταθεράς του Hubble. Και αυτή η μέθοδος προσφέρει ένα διαφορετικό H0.
"Εάν παίρνουμε διαφορετικές απαντήσεις που σημαίνει ότι υπάρχει κάτι που δεν ξέρουμε", δήλωσε ο Mack Live Science. "Έτσι δεν πρόκειται απλώς για την κατανόηση του σημερινού ρυθμού επέκτασης του σύμπαντος - κάτι που μας ενδιαφέρει - αλλά για να κατανοήσουμε πώς εξελίχθηκε το σύμπαν, πώς εξελίχθηκε η επέκταση και πόσο διάστημα έχει κάνει όλα αυτά χρόνος."
Ο Weikang Lin, επίσης κοσμολόγος στο NCSU και επικεφαλής του εγγράφου, δήλωσε ότι για να αναπτύξει μια πλήρη εικόνα του προβλήματος, η ομάδα αποφάσισε να στρογγυλοποιήσει όλους τους διαφορετικούς τρόπους "περιορισμού" του H0 σε ένα μέρος. Το έγγραφο δεν έχει ακόμη επισήμως αξιολογηθεί ή δημοσιευθεί από ομότιμους και είναι διαθέσιμο στον διακομιστή προεκτύπωσης arXiv.
Εδώ τι σημαίνει "περιορισμός" σημαίνει: Οι μετρήσεις στη φυσική σπάνια εμφανίζουν ακριβείς απαντήσεις. Αντ 'αυτού, έθεσαν όρια στο φάσμα πιθανών απαντήσεων. Και βλέποντας μαζί αυτούς τους περιορισμούς, μπορείτε να μάθετε πολλά για κάτι που μελετάτε. Αν κοιτάξετε μέσα από ένα τηλεσκόπιο, για παράδειγμα, μπορεί να μάθετε ότι ένα σημείο φωτός στο διάστημα είναι κόκκινο, κίτρινο ή πορτοκαλί. Ένας άλλος μπορεί να σας πει ότι είναι φωτεινότερο από τα περισσότερα άλλα φώτα στο διάστημα αλλά λιγότερο φωτεινό από τον ήλιο. Ένας άλλος μπορεί να σας πει ότι κινείται στον ουρανό τόσο γρήγορα όσο ένας πλανήτης. Κανένας από αυτούς τους περιορισμούς δεν θα σας το έλεγε πολύ, αλλά από κοινού προτείνουν ότι κοιτάζετε τον Άρη.
Ο Λιν, ο Mack και ο τρίτος συν-συγγραφέας του, ο μεταπτυχιακός φοιτητής του NCSU, Liqiang Hou, εξέτασαν τους περιορισμούς στις δύο σταθερές: H0 και κάτι που ονομάζεται "κλάσμα μάζας" του σύμπαντος, που ονομάζεται ωμ και το οποίο σας λέει πόσο από το σύμπαν είναι η ενέργεια και πόση σημασία έχει. Πολλές μετρήσεις του H0 περιορίζουν επίσης το Ωm, είπε ο Lin, οπότε είναι χρήσιμο να τους κοιτάξουμε μαζί.
Αυτό παρήγαγε αυτό το πολύχρωμο οικόπεδο:
Το τεντωμένο μαύρο ωοειδές σήμα WMAP είναι το φάσμα των πιθανών κλάσεων μάζας και των σταθερών Hubble που χρησιμοποιήθηκαν για να είναι δυνατές με βάση μια μείζονα προηγούμενη μελέτη NASA του CMB, γνωστή ως Wilkinson Microwave Anisotropy Probe. Η κίτρινη στήλη που φέρει την ένδειξη CV SN (σύντομη για τα "Cepheid-Calibrated Type-Ia Supernovae") αναφέρεται στις μετρήσεις Cepheid-supernova, οι οποίες δεν περιορίζουν το κλάσμα μάζας του σύμπαντος, αλλά περιορίζουν το H0. Η κόκκινη ράβδος με την ονομασία SN P (σύντομη για το "Πάνθεον τύπου Supernovae") είναι ένας σημαντικός περιορισμός στο κλάσμα μάζας του σύμπαντος.
Μπορείτε να δείτε ότι οι άκρες των WMAP και CV SN επικαλύπτονται, κυρίως έξω από την κόκκινη μπάρα. Αυτή ήταν η εικόνα της απόκλισης πριν από μερικά χρόνια, ο Mack είπε: Είναι αρκετά σημαντικό να ανησυχείτε ότι οι δύο μετρήσεις έφεραν διαφορετικές απαντήσεις, αλλά όχι τόσο σημαντικές ώστε να γίνουν ασυμβίβαστες με λίγο μικροαλλαγές.
Αλλά τα τελευταία χρόνια έχει γίνει μια νέα μέτρηση του CMB από μια ομάδα που ονομάζεται Planck Collaboration. Η συνεργασία Planck, η οποία κυκλοφόρησε το τελευταίο σύνολο δεδομένων το 2018, θέτει πολύ αυστηρούς περιορισμούς στο κλάσμα μάζας και το ρυθμό επέκτασης του σύμπαντος, που υποδηλώνει η μαύρη λωρίδα στο οικόπεδο που ονομάζεται Planck.
Τώρα, οι συγγραφείς έγραψαν, δύο άγρια διαφορετικές εικόνες του σύμπαντος αναδύονται. Το Planck και το WMAP - μαζί με μια σειρά άλλων προσεγγίσεων για τον περιορισμό των H0 και Ωm - είναι όλοι περισσότερο ή λιγότερο συμβατοί. Υπάρχει μια θέση στην πλοκή, στον κύκλο των λευκών παύσεων, όπου όλες επιτρέπουν παρόμοιες απαντήσεις για το πόσο γρήγορα επεκτείνεται το σύμπαν και πόσο από αυτό είναι κατασκευασμένο από ύλη. Μπορείτε να δείτε ότι σχεδόν όλα τα σχήματα στο οικόπεδο περνούν από αυτόν τον κύκλο.
Αλλά η πιο άμεση μέτρηση, με βάση την πραγματική μελέτη του πόσο μακριά είναι τα πράγματα στο τοπικό μας σύμπαν και πόσο γρήγορα κινούνται, δεν συμφωνεί. Η μέτρηση του Cepheid είναι πολύ έξω εκεί στα δεξιά και ούτε οι ράβδοι σφάλματος (τα αδύνατα κίτρινα κομμάτια, που υποδηλώνουν το εύρος πιθανών τιμών) περνούν από τον διακεκομμένο κύκλο. Και αυτό είναι ένα πρόβλημα.
"Έχουν υπάρξει πολλή δραστηριότητα σε αυτόν τον τομέα μόλις τους τελευταίους μήνες", δήλωσε η Risa Wechsler, κοσμολόγος στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ που δεν συμμετείχε σε αυτή την εργασία. "Είναι λοιπόν πολύ ωραίο να βλέπουμε τα πάντα συνοπτικά. Η διαμόρφωση του όρου ως H0 και Ωm, οι οποίες είναι θεμελιώδεις παράμετροι, διευκρινίζει πραγματικά".
Ακόμα, ο Wechsler είπε στη Live Science, είναι σημαντικό να μην πηδήξουμε σε κάποια συμπεράσματα.
"Οι άνθρωποι είναι ενθουσιασμένοι γι 'αυτό γιατί θα μπορούσε να σημαίνει ότι υπάρχει νέα φυσική, και αυτό θα ήταν πραγματικά συναρπαστικό", είπε.
Είναι πιθανό ότι το μοντέλο CMB είναι λάθος με κάποιο τρόπο, και αυτό οδηγεί σε κάποιο είδος συστηματικού σφάλματος στον τρόπο με τον οποίο οι φυσικοί κατανοούν το σύμπαν.
"Όλοι θα το αγαπήσουν, οι φυσικοί αγαπούν να σπάσουν τα μοντέλα τους", δήλωσε ο Wechsler. "Αλλά αυτό το μοντέλο λειτουργεί πολύ καλά μέχρι στιγμής, οπότε ο προηγούμενος μου είναι ότι πρέπει να υπάρχουν αρκετά ισχυρά στοιχεία που να με πείσουν".
Η μελέτη δείχνει ότι θα ήταν δύσκολο να ταιριάξουμε τη μέτρηση του Cepheid από το τοπικό σύμπαν με όλους τους άλλους εισάγοντας μόνο ένα νέο κομμάτι της φυσικής, είπε ο Mack.
Είναι δυνατό, είπε ο Mack, ότι ο υπολογισμός του σουπερνόβα-κεφειδούς είναι λάθος. Ίσως οι φυσικοί να υπολογίζουν τις αποστάσεις στο τοπικό μας σύμπαν λανθασμένο, και αυτό οδηγεί σε εσφαλμένο υπολογισμό. Είναι δύσκολο να φανταστεί κανείς τι θα ήταν αυτή η λανθασμένη εκτίμηση, είπε. Πολλοί αστροφυσικοί έχουν μετρήσει τις τοπικές αποστάσεις από το μηδέν και έχουν καταλήξει σε παρόμοια αποτελέσματα. Μια πιθανότητα που ανέπτυξαν οι συγγραφείς είναι ότι ζούμε σε ένα περίεργο κομμάτι του σύμπαντος όπου υπάρχουν λιγότεροι γαλαξίες και λιγότερη βαρύτητα, επομένως η γειτονιά μας επεκτείνεται γρηγορότερα από ό, τι το σύμπαν στο σύνολό του.
Η απάντηση στο πρόβλημα, όπως είπε, θα μπορούσε να είναι πολύ κοντά. Αλλά πιο πιθανό είναι χρόνια ή δεκαετίες μακριά.
"Είναι κάτι νέο στο σύμπαν ή είναι κάτι που δεν καταλαβαίνουμε για τις μετρήσεις μας", είπε.
Η Wechsler είπε ότι θα στοιχηματίσει στο τελευταίο - ότι πιθανώς δεν υπάρχει κάτι σωστό για τις γραμμές σφάλματος γύρω από μερικές από τις μετρήσεις που εμπλέκονται και ότι, όταν επιλυθούν αυτές οι εικόνες θα ταιριάζουν μαζί πιο όμορφα.
Οι ερχόμενες μετρήσεις θα μπορούσαν να αποσαφηνίσουν την αντίφαση - είτε την εξήγησαν είτε την αύξησαν, υποδεικνύοντας ότι είναι απαραίτητο ένα νέο πεδίο φυσικής. Το Μεγάλο Συσκοπευτικό Τηλεσκόπιο Έρευνας, το οποίο προγραμματίζεται να κυκλοφορήσει στο διαδίκτυο το 2020, θα πρέπει να βρει εκατοντάδες εκατομμύρια υπερφόρτωμα, τα οποία θα βελτιώσουν σημαντικά τα σύνολα δεδομένων που χρησιμοποιούν οι αστροφυσικοί για να μετρήσουν τις αποστάσεις μεταξύ των γαλαξιών. Τελικά, ο Mack είπε ότι οι μελέτες βαρυτικών κυμάτων θα φτάσουν αρκετά καλά για να περιορίσουν την επέκταση του σύμπαντος, η οποία θα πρέπει να προσθέσει ένα άλλο επίπεδο ακρίβειας στην κοσμολογία. Κάτω από το δρόμο, είπε, οι φυσικοί θα μπορούσαν ακόμη να αναπτύξουν όργανα αρκετά ευαίσθητα ώστε να βλέπουν τα αντικείμενα να εκτείνονται μακριά ο ένας από τον άλλο σε πραγματικό χρόνο.
Αλλά προς το παρόν οι κοσμολόγοι εξακολουθούν να περιμένουν και να αναρωτιούνται γιατί οι μετρήσεις τους για το σύμπαν δεν έχουν νόημα μαζί.
